DE202008000832U1

DE202008000832U1 - Thermoelektrischer Generator

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Publication number: DE202008000832U1
Application number: DE202008000832U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2018-01-22

Abstract

Thermoelektrischer Generator für einen Abgasstrom, der an einem Abgaskanal (7) angeschlossen ist, wobei zumindest ein thermoelektrisches Wandlerelement (1) angeordnet ist, welches thermische Energie in elektrische Energie umwandelt und ein Wärmetauscherelement, welches zumindest teilweise an einer Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements (1) und zumindest teilweise im Abgaskanal (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Heatpipe (2) im Abgaskanal (7) angeordnet ist, welches die thermische Energie des Abgasstromes zur Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements (1) leitet.

Description

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator für einen Abgasstrom, der an einem Abgaskanal angeschlossen ist, wobei zumindest ein thermoelektrisches Wandlerelement angeordnet ist, welches thermische Energie in elektrische Energie umwandelt und ein Wärmetauscherelement, welches zumindest teilweise an einer Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements und zumindest teilweise im Abgaskanal angeordnet ist.
Aus der DE 10 2005 005 077 A1 ist beispielsweise ein solcher thermoelektrischer Generator für den Abgasstrom eines Kraftfahrzeuges offenbart. Die Erzeugung von elektrischer Energie unter Verwendung eines thermoelektrischen Generatorelements, welches thermische Energie in elektrische Energie umwandelt, ist gemäß dem Stand der Technik bekannt. Das thermoelektrische Generatorelement macht Gebrauch von dem Seebeck-Effekt, bei dem die Temperaturdifferenz zwischen zwei Enden, einem Hochtemperaturabschnitt und einem Niedrigtemperaturabschnitt, eines Metalls oder eines Halbleiterteiles eine Potenzialdifferenz zwischen dem Hochtemperaturabschnitt und dem Niedrigtemperaturabschnitt des Metalls oder des Halbleiterteiles hervorruft. Eine größere Temperaturdifferenz erhöht die elektrische Energie, die durch das thermoelektrische Generatorelement erzeugt wird.
Derartige thermoelektrische Generatoren sind hinsichtlich ihres Wirkungsgrades noch nicht optimal ausgebildet. Eine Schwachstelle bei den bekannten thermoelektrischen Generatoren ist die noch nicht optimale Ausnutzung der Wärme des Abgasstromes. Außerdem beeinflussen Elemente des Wärmetauschers im Abgasstrom diesen negativ.
Der Erfinder hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen thermoelektrischen Generator für einen Abgasstrom zur Verfügung zu stellen, der einen besseren Wirkungsgrad aufweist und den Abgasstrom weniger beeinflusst.
Diese Aufgabe wird durch einen thermoelektrischen Generator für einen Abgasstrom gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Der Erfinder hat erkannt, dass es möglich ist, den thermischen Wirkungsgrad eines thermoelektrischen Generators zu verbessern, wenn die Wärmeübertragung aus dem Abgas zum thermoelektrischen Wandlerelement mit Hilfe von Heatpipes erfolgt. Ein Heatpipe ermöglicht eine höhere Wärmeübertragung, wobei die Wärmeübertragung nicht nur durch Wärmeleitung sondern zusätzlich auch durch Wärmekonvektion (Verdampfung und Kondensation) zustande kommt.
Aus den gewonnenen Erkenntnissen heraus schlägt der Erfinder vor, einen thermoelektrischen Generator für einen Abgasstrom, der an einem Abgaskanal angeschlossen ist, wobei zumindest ein thermoelektrisches Wandlerelement angeordnet ist, welches thermische Energie in elektrische Energie umwandelt und ein Wärmetauscherelement, welches zumindest teilweise an einer Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements und zumindest teilweise im Abgaskanal angeordnet ist, dahingehend zu verbessern, dass zumindest ein Heatpipe im Abgaskanal angeordnet ist, welches die thermische Energie des Abgasstromes zur Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements leitet.
Der neue thermoelektrische Generator eignet sich zur Energieerzeugung aus der Abwärme einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors zur Verbrennung von Biogas. Hierbei ergeben sich Anwendungen bei Abgastemperaturen von circa 150°C bis 600°C. Der neue thermoelektrische Generator kann beispielsweise nach einem Abgasturbolader in den Abgasstrom geschaltet werden. Die Verwendung eines Heatpipes ermöglicht einen hohen Wärmetransport aus dem Abgas, wobei die Wärmeübertragung nicht nur durch Wärmeleitung, sondern zusätzlich auch durch Wärmekonvektion zustande kommt. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise, welche das Gewicht für die Wärmetauschereinheit um bis zu 80% reduzieren kann. Als Wärme abgebendes Medium eignen sich sowohl flüssige als auch gasförmige Stoffe, wie Wasser, Glykol, Thermoöl oder Heiß- bzw. Abgas. Als Wärme aufnehmendes Medium auf der Seite des thermoelektrischen Wandlerelements eignen sich ebenfalls sowohl flüssige als auch gasförmige Stoffe. Der thermoelektrische Generator kann aus mehreren Modulen aufgebaut sein, welche aus einer Vielzahl von thermoelektrischen Elementen bestehen. Die Module können elektrisch entweder in Serie oder parallel verschaltet werden. Im Abgaskanal können mehrere Module sowohl parallel als auch hintereinander in Reihe angeordnet werden.
Mit einem Heatpipe kann Wärme sehr effizient von einem Ort zum anderen transportiert werden. Es kann eine um circa 100 bis 1000 mal höhere Wärmemenge transportieren als ein Bauteil gleicher Abmessungen aus massivem Kupfer. Die Heatpipe nutzt den physikalischen Effekt, dass beim Verdampfen und Kondensieren einer Flüssigkeit enorm hohe Energiemengen bei minimalen Temperaturgradienten umgesetzt werden. In der Heatpipe herrscht ein Unterdruck von circa 10^–5 bar, so dass das Arbeitsmittel bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft. Die Heatpipes können als Stäbe mit einem runden Querschnitt oder auch abgeflacht ausgeführt werden.
Einfach ausgedrückt sind Heatpipes versiegelte Röhrchen mit einer Arbeitsflüssigkeit und dessen Dampf. Die Innenseite des Heatpipes ist mit einer Kapillarstruktur versehen, wobei die Struktur der Innenseite entweder gesintert oder mit vielschichtigem Metallgewebe gebildet sein kann. Führt man der Heatpipe von außen Wärme zu, so verdampft die Flüssigkeit im Inneren der Heatpipe. Der Dampf strömt in Richtung des Temperaturgefälles und kondensiert an den kühleren Stellen der Heatpipe (Kontaktkörper) unter Abgabe der Energie. Das Kondensat wird durch die Kapillarkräfte der inneren Struktur an den Ort der Verdampfung zurücktransportiert.
Je feiner die Struktur desto größer sind die Kapillarkräfte. Es ist von Vorteil, Kapillarstrukturen mit kleinen Radien zu nutzen, also kleine Maschenweite oder geringe Korngröße bei Sintermetall. Die Heatpipes können eine reine Kupferoberfläche aufweisen, legiert mit Zinn, Nickel, Messing, Silber, Chrom oder Gold. Alternativ können die Heatpipes auch aus rostfreiem Stahl sein.
Das Arbeitsmedium im Heatpipe wird je nach Einsatztemperatur gewählt, vorzugsweise Wasser, wegen der höchsten Wärmetransferleistung bei Temperaturen von circa 2 bis 300°C. Bei höheren Temperaturen von circa 120 bis 550°C Quecksilber, bei noch höheren Temperaturen Cäsium, Kalium, Natrium, Lithium und Silber. Bei tieferen Temperaturen kommen eventuell ein Gemisch mit Wasser, Alkohol, Ammoniak und Acetyl zum Einsatz.
Das Arbeitsmedium sollte folgende Eigenschaften aufweisen: hohe Oberflächenspannung, niedrige Viskosität, gute Wärmeleiffähigkeit, große Verdampfungsenthalpie, weder extrem niedrige noch extrem hohe Dampfdrücke, gute Benetzungsfähigkeit.
Aufgrund des zusätzlichen Gravitationseinflusses auf das Arbeitsmedium im Heatpipe erfolgt der Einbau vorzugsweise senkrecht mit der Kondensationsseite (Wärmesenke) nach oben. Alternativ können die Heatpipes auch waagerecht oder kombiniert, zum Beispiel schräg oder gebogen, eingebaut werden. Ungünstiger wirkt sich der Einbau mit der Kondensationsseite (Wärmesenke) nach unten aus da die hier die Kapillarkraft gegen die Gravitation arbeiten muss.
Es ist von Vorteil, wenn als thermoelektrisches Wandlerelement ein Seebeck-Element eingesetzt wird. Beim Seebeck-Effekt wird die Thermoelektrizität genutzt. Einige der frei beweglichen Elektronen können die Oberfläche eines Metalls verlassen, wenn ihre kinetische Energie mindestens gleich der Austritts- oder Ablösearbeit ist. Da diese materialabhängig ist, treten bei einer innigen Berührung zweier Metalloberflächen einige Elektronen vom Metall mit niedrigerer Austrittsarbeit in das andere über. Es entsteht eine Berührungsspannung, deren Größe tem peraturabhängig ist. Ein Thermoelement besteht aus zwei dieser Berührungsstellen. Besteht zwischen diesen keine Temperaturdifferenz, so gleichen sich die beiden Berührungsspannungen aus. Haben die beiden Verbindungsstellen unterschiedliche Temperatur, so fließt als Folge einer Thermospannung ein Thermostrom. Seine Größe hängt außer vom Stromkreiswiderstand von den Materialien und der Temperaturdifferenz ab. Die Metalle lassen sich hinsichtlich ihrer Thermospannung in eine thermoelektrische Spannungsreihe einordnen.
Alternativ dazu kann als thermoelektrisches Wandlerelement ein Peltier-Element verwendet werden, welches elektrische Energie in thermische Energie umwandelt. Die Umkehrung des thermoelektrischen Effektes wird als der Peltier-Effekt bezeichnet. Fließt ein Strom durch eine Metallkombination analog dem Thermoelement, so entsteht zwischen den beiden Berührungsstellen eine Temperaturdifferenz. Und zwar kühlt sich die Stelle ab, die bei gleicher Richtung eines Thermostromes erhitzt werden müsste.
Die vom thermoelektrischen Wandlerelement aufgenommene Wärmemenge wird durch Kühlmittel an der Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements abgeführt. Das Kühlmittel kann beispielweise ein Kühlkörper sein, der von einem Kühlmedium durchströmt wird.
Zwischen thermoelektrischem Wandlerelement und Abgaskanal sollte zumindest ein Isolierelement angeordnet sein, welches das Wandlerelement und den Abgaskanal thermisch trennt. Dadurch ist das thermoelektrische Wandlerelement entkoppelt vom Abgaskanal, somit werden vor allem thermische Verluste aber auch thermomechanische Verspannungen sehr gering gehalten. Mit einer leistungsfähigen Kühleinheit, welche an der anderen Oberfläche der thermoelektrischen Wandlereinheit angeordnet ist, um die thermoelektrische Wandlereinheit zu kühlen und durch eine Isolierung vom Abgaskanal getrennt ist, kann der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators weiter optimiert werden.
Es ist günstig wenn zumindest ein Kontaktkörper im thermoelektrischen Generator angeordnet ist, wobei das thermoelektrische Wandlerelement zwischen Kontaktkörper und Kühlung befestigt, vorzugsweise geklemmt, angeordnet ist. Am Kontaktkörper und/oder am Kühlkörper befinden sich Mittel, vorzugsweise Erhebungen oder Vertiefungen, die ein Verschieben oder Verrutschen der in Kontakt befindlichen Kontaktkörper und Kühlkörper verhindern. Der Kontaktkörper kann als Wärmespeicher fungieren, in den die Heatpipes münden und an dessen Oberfläche die thermoelektrische Wandlereinheit angeordnet ist.
Um die Wärmeaufnahme aus dem Abgasstrom zu verbessern, sollte an der Oberfläche der Heatpipes mehrere Wärmetauscherflächen angeordnet sein. Die Wärmetauscherflächen können dabei als Lamellen ausgebildet sein und gleiche oder ungleiche Abstände voneinander haben. Die Lamellen selbst können als ebene Fläche ausgebildet sein. Alternativ dazu, ist ein gewelltes und/oder ein zick-zack-förmiges Profil der Lamellen günstig. Als Material für die Wärmetauscherflächen eignen sich gut wärmeleitende Metalle, wie Kupfer oder Aluminium.
Werden die Lamellen an der Oberfläche mit einer katalytischen Beschichtung versehen, so kann mit dem thermoelektrischen Generator eine Reinigung des Abgasstromes betrieben werden, beispielsweise können Kohlenstoffmonoxide (CO) oder Kohlenwasserstoffe (HC) aus dem Abgasstrom oxidiert werden. Als mögliche Beschichtungen sind hierfür Metalle, Metalloxiden, seltene Erden oder Verbindungen daraus geeignet. Beispielsweise sind Metalle, wie Lanthan, Cobalt, Vanadium, Cer oder Edelmetalle, wie Platin, Silber, Palladium, Rhodium, geeignet. Als geeignetes Metalloxid ist beispielsweise Aluminiumoxid zu nennen.
Um die Wärmeaufnahme aus dem Abgasstrom weiter zu erhöhen können die Lamellen an deren Oberflächen oberflächenvergrößernde Elemente in Form von Rippen und/oder Noppen und/oder Spitzen und/oder Taschen aufweisen. Die Taschen können auch zur Aufnahme von Ruß und/oder Feinstaub aus dem Abgasstrom dienen und bilden somit einen Filter für den Abgasstrom. Eine Regenerierung oder Reinigung des Filters kann durch Absenken der Wärmeabfuhr auf der Kühlmittelseite erreicht werden, wodurch die Temperatur im Abgaskanal erhöht wird und die Ruß- und/oder Feinstaubpartikel abgebrannt werden.
In einer weiteren Ausführung ist zumindest ein Haltelement im Abgaskanal angeordnet, welches das Heatpipe im Abgaskanal befestigt. Das im Abgaskanal angebrachte Halteelement dient als Halterung für die Heatpipes, so dass diese in Durchströmungsrichtung fixiert sind. Das Material der Halteeinrichtungen kann hinsichtlich der thermischen Wärmeausdehnung so ausgebildet sein, dass die Heatpipes aufgrund der thermomechanischen Ausdehnungen nicht im Abgaskanal verspannt werden.
In einer besonderen Ausführung ist der thermoelektrische Generator und der Abgaskanal als Schalldämpfer oder Endschalldämpfer einer Brennkraftmaschine ausgebildet. Die Lamellen können dann als Absorberbleche für den Abgasstrom der Brennkraftmaschine fungieren.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1: Seitenansicht auf einen thermoelektrischen Generator,
2: Weitere Seitenansicht auf einen thermoelektrischen Generator,
3: Thermoelektrischen Generator mit Abgaskanal;
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben.
Die 1 zeigt eine Seitenansicht auf einen thermoelektrischen Generator. Dieser besteht im oberen Teil aus einem thermoelektrischen Wandlerelement 1, welches thermische Energie in elektrische Energie umwandelt. In der Regel ist das thermoelektrische Wandlerelement 1 ein Seebeck-Element. Das thermoelektrische Wandlerelement 1 befindet sich auf einem Kontaktkörper 4, der als Wärmespei cher dient. Um eine hohe Menge an elektrischer Energie zu erhalten, muss eine große Temperaturdifferenz zwischen Hochtemperaturabschnitt und Niedrigtemperaturabschnitt des thermoelektrischen Wandlerelements 1 vorhanden sein. Aus diesem Grund wird der Niedrigtemperaturabschnitt des thermoelektrischen Wandlerelements 1 von einer Kühlung 5 durchzogen. Das thermoelektrische Wandlerelement 1 ist zwischen dem Kontaktkörper 4 und der Kühleinheit 5 befestigt, vorzugsweise geklemmt. Über Bohrungen 9 können die einzelnen Elemente weiter verbunden werden.
Im unteren Teil der 1 ist das Wärmetauscherelement dargestellt, welches über eine Isolierung 6 vom thermoelektrischen Wandlerelement 1 und dem Kontaktkörper 4 thermisch getrennt ist. Dadurch werden vor allem thermische Verluste, aber auch thermomechanische Verspannungen sehr gering gehalten. Es kann auch ein elastisches Pad zwischen thermoelektrischen Wandlerelement 1 und Kühlung 5 vorhanden sein. Oder eine mechanische Verspannung mit Federn garantiert eine elastische Verspannung, welche Druck von außen auf die Kühlung 5, Kontaktkörper 4 und thermoelektrischen Wandlereinheit 1 aufbringt. Das Wärmetauscherelement befindet sich in einem in 1 nicht dargestellten Abgaskanal und besteht in dieser Ausführung aus drei Heatpipes 2. Die Heatpipes 2 ermöglichen einen schnellen und hohen Wärmetransport aus dem Abgas durch die Isolierung 6 an den Kontaktkörper 4 und somit an das thermoelektrische Wandlerelement 1. Um die Wärmeaufnahme aus dem Abgasstrom zu verbessern, sind an der Oberfläche der Heatpipes 2 Lamellen 3 ausgebildet.
Die oberste Lamelle 8 bildet ein Halteelement aus und ist bezogen auf ihre Dicke stärker ausgebildet und mit Bohrungen versehen, so dass durch dieses Halteelement 8 der thermoelektrische Generator in einen Abgaskanal befestigt werden kann. Analog kann auch die unterste Lammelle ausgebildet sein. Und die oberste und/oder die unterste Lamelle können den Abgaskanal zumindest teilweise bilden.
Die 2 zeigt den thermoelektrischen Generator aus 1 um 90 Grad gedreht. In dieser Ansicht ist besonders gut zu erkennen, dass die Heatpipes 2 in den Kontaktköper 4 münden und den Hochtemperaturabschnitt bilden. An diesen Kontaktköper 4 schließt der Hochtemperaturabschnitt der beiden Seebeck-Elemente 1 an. Ebenfalls über Isolierungen 6 getrennt, befinden sich rechts und links die Kühlung 5 jeweils auf der Niedrigtemperaturseite der Seebeck-Elemente, um einen möglichst hohe Temperaturdifferenz zu erzeugen. Über die Bohrungen 9 sind der Kontaktkörper 4 und die Kühlungen 5 miteinander verbunden.
Im unteren Teil der 2 ist ebenfalls analog zur Ausführung der 1 das Wärmetauscherelement dargestellt, welches über eine Isolierung vom thermoelektrischen Wandlerelement 1 und dem Kontaktkörper 4 thermisch getrennt ist.
Die 3 zeigt einen thermoelektrischen Generator der über das Halteelement 8 mit dem Abgaskanal 7 verbunden werden kann. Der Abgaskanal 7 ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahl gebildet. Um die unteren Enden der drei Heatpipes 2 im Abgaskanal 7 zu befestigen, sind in dieser weiteren Ausführung weitere Haltelemente 10 im Abgaskanal angeordnet. Die im Abgaskanal 7 angebrachten Halteelemente 10 dienen als Halterung für die Heatpipes, so dass diese in Durchströmungsrichtung fixiert sind. Das Material der Halteeinrichtungen 10 kann hinsichtlich der thermischen Wärmeausdehnung so ausgebildet sein, dass die Heatpipes 2 aufgrund der thermomechanischen Ausdehnungen nicht im Abgaskanal 7 verspannt werden.

1: Thermoelektrisches Wandlerelement
2: Heatpipe
3: Wärmetauscherfläche/Lamelle
4: Kontaktkörper
5: Kühlung
6: Isolierung
7: Abgaskanal
8: Haltelement/Oberste Lamelle
9: Bohrung
10: Halteelement

Claims

Thermoelektrischer Generator für einen Abgasstrom, der an einem Abgaskanal (7) angeschlossen ist, wobei zumindest ein thermoelektrisches Wandlerelement (1) angeordnet ist, welches thermische Energie in elektrische Energie umwandelt und ein Wärmetauscherelement, welches zumindest teilweise an einer Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements (1) und zumindest teilweise im Abgaskanal (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Heatpipe (2) im Abgaskanal (7) angeordnet ist, welches die thermische Energie des Abgasstromes zur Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements (1) leitet.
Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Wandlerelement (1) ein Seebeck-Element ist.
Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Wandlerelement (1) ein Peltier-Element ist, welches elektrische Energie in thermische Energie umwandelt.
Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittel (5) an der Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements (1) angeordnet ist.
Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen thermoelektrischem Wandlerelement (1) und Abgaskanal (7) zumindest ein Isolierelement (6) angeordnet ist, welches das Wandlerelement (1) und den Abgaskanal (7) thermisch trennt.
Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kontaktkörper (4) angeordnet ist, wobei das thermoelektrische Wandlerelement (1) zwischen Kontaktkörper (4) und Kühlung (5) befestigt, vorzugsweise geklemmt, ist.
Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Heatpipes (2) mehrere Wärmetauscherflächen (2) angeordnet sind.
Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherflächen (2) als Lamellen ausgebildet sind und gleiche oder ungleiche Abstände voneinander haben.
Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (2) als ebene Fläche ausgebildet sind oder ein gewelltes und/oder zick-zack förmiges Profil aufweisen.
Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (2) an der Oberfläche eine katalytische Beschichtung aufweisen.
Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (2) an der Oberfläche oberflächenvergrößernde Elemente in Form von Rippen und/oder Noppen und/oder Spitzen und/oder Taschen aufweisen.
Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Haltelement (10) im Abgaskanal (7) angeordnet ist, welches das Heatpipe (2) im Abgaskanal (7) befestigt.
Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator und der Abgaskanal (7) als Schalldämpfer einer Brennkraftmaschine ausgebildet sind und die Lamellen (3) Absorberbleche für den Abgasstrom der Brennkraftmaschine ausbilden.